光以意想不到的方式觸發(fā)黃金

萊斯大學(xué)的研究人員在他們的金納米粒子實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了一種根本不同的光物質(zhì)相互作用形式。

他們并不是在尋找它，但是在Rice化學(xué)家Stephan Link實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生們 發(fā)現(xiàn)，正確激發(fā)微觀粒子會(huì)對(duì)它們分散的光產(chǎn)生近乎完美的調(diào)制。該發(fā)現(xiàn)可能有助于開發(fā)用于計(jì)算機(jī) 和天線的下一代超小型光學(xué)組件 。

這項(xiàng)工作源于光和等離子體金屬顆粒之間復(fù)雜的相互作用，它極其有效地吸收和散射光。 等離子體 是 準(zhǔn)粒子，當(dāng)被光激發(fā)時(shí)，在一些金屬表面上波動(dòng)的集體激發(fā)。

萊斯研究人員正在研究C形金納米粒子的風(fēng)車狀等離子體結(jié)構(gòu)，以了解它們?nèi)绾雾憫?yīng) 圓偏振光 及其旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)，特別是當(dāng)極性的旋向性或旋轉(zhuǎn)方向被逆轉(zhuǎn)時(shí)。然后他們決定研究單個(gè)粒子。

“我們將它剝離回最簡(jiǎn)單的可能系統(tǒng)，我們只有一個(gè)風(fēng)車臂，只有一個(gè)入射光方向，”Link實(shí)驗(yàn)室研究生Lauren McCarthy說。“我們沒想到會(huì)看到任何東西。當(dāng)我將這個(gè)樣品放在顯微鏡上并將我的偏振從左手旋轉(zhuǎn)到右手時(shí)，這是一個(gè)完全的驚喜。我當(dāng)時(shí)想，'這些都是開關(guān)嗎?' 這不應(yīng)該發(fā)生。“

她和共同主要作家凱爾史密斯，最近的賴斯校友，不得不深入弄清楚為什么他們看到這種“巨大的調(diào)制”。

一開始，他們知道以特定角度將偏振光照射到附著在玻璃基板上的金納米粒子樣品表面會(huì)產(chǎn)生 漸逝場(chǎng)，一個(gè)擺動(dòng)玻璃表面的振蕩電磁波并像平行一樣捕獲光線鏡子，一種稱為全內(nèi)反射的效應(yīng) 。

他們也知道圓偏振光由橫波組成 。橫波垂直于光的移動(dòng)方向，可用于控制粒子的可見等離子體輸出。但是當(dāng)光被限制時(shí)，也會(huì)發(fā)生縱波。在橫波上下和左右移動(dòng)的情況下，縱波看起來像是通過管道泵送的斑點(diǎn)(如通過搖動(dòng)Slinky所示)。

他們發(fā)現(xiàn)C形金納米粒子的等離子體響應(yīng)取決于消逝場(chǎng)中橫波和縱波之間的異相相互作用。

對(duì)于風(fēng)車，研究人員發(fā)現(xiàn)，通過簡(jiǎn)單地改變圓偏振光輸入的旋向性，他們可以將光輸出的強(qiáng)度改變多達(dá)50%，從而改變橫向和縱向波之間的相對(duì)相位。

當(dāng)他們將實(shí)驗(yàn)分解為個(gè)體的C形金納米粒子時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)形狀對(duì)于效果很重要。改變極化輸入的旋向性導(dǎo)致粒子幾乎完全打開和關(guān)閉。

模擬水稻物理學(xué)家 彼得諾德蘭德 及其團(tuán)隊(duì)的效果證實(shí)了研究人員觀察到的解釋。

“我們知道我們有一個(gè)消逝領(lǐng)域，我們知道它可能會(huì)做出不同的事情，但我們并不知道到底是什么，”麥卡錫說。“在我們完成模擬之前，我們并沒有明白這一點(diǎn)，告訴我們光線在粒子中實(shí)際上是多么令人興奮，并且看到它實(shí)際上與漸逝場(chǎng)的外觀相匹配。

“這導(dǎo)致我們意識(shí)到這不能用光正常運(yùn)作來解釋，”她說。“我們必須調(diào)整我們對(duì)光線如何與這些結(jié)構(gòu)相互作用的理解。”

McCarthy說，納米粒子的形狀觸發(fā)了粒子上三個(gè)偶極子(正電荷和負(fù)電荷的濃度)的取向。

“半環(huán)具有100納米曲率半徑的事實(shí)意味著整個(gè)結(jié)構(gòu)占據(jù)了半波長(zhǎng)的光，”她說。“我們認(rèn)為這對(duì)于激發(fā) 這種特殊方向的偶極子非常重要 。”

模擬結(jié)果表明，反轉(zhuǎn)入射偏振光的手性并使波異相反轉(zhuǎn)了中心偶極子的方向，大大降低了半環(huán)在一次入射的手性下散射光的能力。然后，漸逝場(chǎng)的極化解釋了C形結(jié)構(gòu)幾乎完全的開啟和關(guān)閉效果。

“有趣的是，我們?cè)谀撤N程度上完成了這項(xiàng)工作，”林克說。“扁平金屬表面也支持表面等離子體，如納米顆粒，但它們只能用漸逝波激發(fā)，不會(huì)散射到遠(yuǎn)場(chǎng)。在這里，我們發(fā)現(xiàn)使用漸逝波激發(fā)特定形狀的納米粒子會(huì)產(chǎn)生具有與自由空間光激發(fā)的散射特性不同的等離子體。